一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法
一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铜基超弹性形状记忆合金，属于传感器和智能材料及其制备的技术领域。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金是一种新型的功能材料，它已成为功能材料领域的研宄热点之一。形状记忆合金处于奥氏体状态时，在应力作用下发生变形，应力去除后，由应力诱发马氏体相变引起的变形即行消失，这种效应称为超弹性。
[0003]随着形状记忆合金应用范围的日益扩大，对材料特性和形状的要求也日益提高，开发研制超弹性形状记忆细丝具有重要意义。超弹性记忆合金丝广泛应用于热敏传感器、驱动器原件以及防地震减震复合材料中，还可应用于纺织织物中，是集感知与驱动于一体的智能材料。
[0004]铜基超弹性记忆合金价格低廉，优势明显，因而铜基超细丝的开发意义重大。其中铜锡形状记忆合金只在单晶状态下具有延性，多晶则由于晶粒粗大，通常呈现脆性。单晶丝材制备难度大，效率低，成本高。多晶合金冷加工困难，难以采用传统冷拔工艺制备丝材，而热拉拔容易导致丝材表面氧化，工艺复杂且不易控制，得到的丝材也会由于晶粒粗大而呈现脆性，因而无法得到实际应用。
【发明内容】
[0005]针对上述现状，本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种铜锡超弹性形状记忆丝。丝材晶粒细化至亚微米，甚至纳米级，具有高达5.65%的超弹性性能。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜锡形状记忆丝的制备方法，其制备方法是采用玻璃包覆纺丝法，通过快速冷却，将合金从熔融液态快速凝固，一次成型为丝材。
[0006]本发明为上述第一个技术问题所采取的技术方案为:铜基超弹性形状记忆合金丝，其特征在于该合金的分子式为Cu1(l(l_xSnx，下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x=14~17。
[0007]本发明为解决上述第二个技术问题所采取的技术方案为一种铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，包括以下步骤:
步骤1:按原子摩尔百分比将合金组分中的Cu、Sn配料，
Cu 83-86 %
Sn 14-17 %
其中各原料的纯度均大于99 %。
[0008]步骤2:将配好的原料在氩气保护下在高频电磁感应作用下熔炼成均匀的母合金，再进行破碎，放入高硼硅玻璃管中。
[0009]步骤3:将装好合金料的玻璃管沿竖直方向固定，玻璃管底部位于锥形感应线圈中，玻璃管开口端通过波纹管连接机械泵，抽真空至5Pa以下，再充氩气至0.09-0.1lMPa0
[0010]步骤4:启动高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐提高加热电流，当合金锭熔化，底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上。
步骤5:将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。
[0011 ] 步骤2中所述破碎是将合金锭破碎成l~3g的块料。
[0012]步骤4中所述形成微熔池时的温度控制在800°C~120(TC之间。
[0013]步骤4中所述绕丝轮的转速为10转/分钟~200转/分钟。
[0014]本发明的优点在于:
(I)采用玻璃包覆法可一次性制备记忆丝，制备出的微丝直径3~200 μ m，工序简单，制备流程短，无需拉拔和退火，效率高，成本低。
[0015](2)玻璃包覆法冷却速率快，晶粒细化至亚微米级，丝材超弹性性能优异，总应变为6%时卸载，可回复应变为5.65%，回复率达到94%，克服了传统工艺难以解决的多晶脆性冋题。
[0016](3)可制备长达数百米的超弹性记忆微丝，应用前景广阔，可广泛应用于传感器和驱动器中，是集感知与驱动于一体的智能材料，对促进智能元件的微型化具有重要意义。
【附图说明】
[0017]图1为本发明制备流程示意图。其中I为玻璃管、2为熔融合金液、3为感应线圈、4为冷却液、5为导丝轮、6为绕丝轮。
[0018]图2为本发明实施例1中Cu84Sn16超弹性形状记忆合金丝的扫描电镜(SEM)照片。
[0019]图3为本发明实施例1中Cu84Sn16超弹性形状记忆合金丝加载后卸载的应力-应变曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0021]实施例1
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu84Sn16,制备步骤如图1所示:将纯度大于99 %的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小块料，将一小块重为2g的合金料放入高硼硅玻璃管的底部，玻璃管外径10_，壁厚1_。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.1MPa0启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至350A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在1000°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为60转/分钟。启动升降电机，玻璃管以2mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为49 μm的Cu84Sn16超弹性形状记忆合金裸丝。丝材扫描电镜(SEM)照片如图2所示。将微丝放置在液氮中进行弯曲，然后从液氮中取出，微丝恢复室温下的形状，表明该微丝具有形状记忆效应。利用Instron测试仪对微丝进行拉伸测试，初始标距为~20mm，当应变为~6%时卸载载荷，得到如图3所示的加载-卸载应力应变曲线，曲线表明卸载后应变基本完全恢复，微丝具有较好的超弹性。
[0022]实施例2
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu86Sn14,制备步骤如下:将纯度大于99%的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小快料，将一小块重为2g的合金料放入玻璃管的底部。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.lMPa?启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至400A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在1100°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为20转/分钟。启动升降电机，玻璃管以3mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为107 μπι的&18651114超弹性形状记忆合金裸丝。
[0023]实施例3
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu83Snm制备步骤如下:将纯度大于99%的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小快料，将一小块重为2g的合金料放入玻璃管的底部。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.lMPa?启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至330A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在950°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为120转/分钟。启动升降电机，玻璃管以0.5mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为9 μm的&18351117超弹性形状记忆合金裸丝。
[0024]综上所述，本发明一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法简单易行，综合性能好，适用于大规模工业生产。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种铜基超弹性形状记忆合金丝，其特征在于，该合金的分子式为Cu 100_xSnx,下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x=14~17。2.权利要求1铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:按原子摩尔百分比将合金组分中的Cu、Sn配料， Cu 83-86 % Sn 14-17 % 其中各原料的纯度均大于99 %； 步骤2:将配好的原料在氩气保护下在高频电磁感应作用下熔炼成均匀的母合金，再进行破碎，放入高硼硅玻璃管中； 步骤3:将装好合金料的玻璃管沿竖直方向固定，玻璃管底部位于锥形感应线圈中，玻璃管开口端通过波纹管连接机械泵，抽真空至5Pa以下，再充氩气至0.09-0.1lMPa ; 步骤4:启动高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐提高加热电流，当合金锭熔化，底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上； 步骤5:将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。3.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤2中所述破碎是将合金锭破碎成l~3g的块料。4.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤4中所述形成微熔池时的温度控制在800°C~1200°C之间。5.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤4中所述绕丝轮的转速为10转/分钟~200转/分钟。
【专利摘要】本发明涉及一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法，该合金的分子式为Cu100-xSnx,其中x=14~17。其制备方法是采用玻璃包覆纺丝法，通过高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐熔化合金锭，当底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。本发明一次成形，工序简单，制备出的微丝直径3~200μm，可广泛应用于传感器和驱动器中，是集感知与驱动于一体的智能材料，对促进智能元件的微型化具有重要意义。
【IPC分类】C22C9/00, C22C1/02
【公开号】CN104894428
【申请号】CN201510325733
【发明人】张勇, 赵杨勇
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
【技术领域】
[0001]本发明涉及铜基超弹性形状记忆合金，属于传感器和智能材料及其制备的技术领域。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金是一种新型的功能材料，它已成为功能材料领域的研宄热点之一。形状记忆合金处于奥氏体状态时，在应力作用下发生变形，应力去除后，由应力诱发马氏体相变引起的变形即行消失，这种效应称为超弹性。
[0003]随着形状记忆合金应用范围的日益扩大，对材料特性和形状的要求也日益提高，开发研制超弹性形状记忆细丝具有重要意义。超弹性记忆合金丝广泛应用于热敏传感器、驱动器原件以及防地震减震复合材料中，还可应用于纺织织物中，是集感知与驱动于一体的智能材料。
[0004]铜基超弹性记忆合金价格低廉，优势明显，因而铜基超细丝的开发意义重大。其中铜锡形状记忆合金只在单晶状态下具有延性，多晶则由于晶粒粗大，通常呈现脆性。单晶丝材制备难度大，效率低，成本高。多晶合金冷加工困难，难以采用传统冷拔工艺制备丝材，而热拉拔容易导致丝材表面氧化，工艺复杂且不易控制，得到的丝材也会由于晶粒粗大而呈现脆性，因而无法得到实际应用。
【发明内容】
[0005]针对上述现状，本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种铜锡超弹性形状记忆丝。丝材晶粒细化至亚微米，甚至纳米级，具有高达5.65%的超弹性性能。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜锡形状记忆丝的制备方法，其制备方法是采用玻璃包覆纺丝法，通过快速冷却，将合金从熔融液态快速凝固，一次成型为丝材。
[0006]本发明为上述第一个技术问题所采取的技术方案为:铜基超弹性形状记忆合金丝，其特征在于该合金的分子式为Cu1(l(l_xSnx，下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x=14~17。
[0007]本发明为解决上述第二个技术问题所采取的技术方案为一种铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，包括以下步骤:
步骤1:按原子摩尔百分比将合金组分中的Cu、Sn配料，
Cu 83-86 %
Sn 14-17 %
其中各原料的纯度均大于99 %。
[0008]步骤2:将配好的原料在氩气保护下在高频电磁感应作用下熔炼成均匀的母合金，再进行破碎，放入高硼硅玻璃管中。
[0009]步骤3:将装好合金料的玻璃管沿竖直方向固定，玻璃管底部位于锥形感应线圈中，玻璃管开口端通过波纹管连接机械泵，抽真空至5Pa以下，再充氩气至0.09-0.1lMPa0
[0010]步骤4:启动高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐提高加热电流，当合金锭熔化，底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上。
步骤5:将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。
[0011 ] 步骤2中所述破碎是将合金锭破碎成l~3g的块料。
[0012]步骤4中所述形成微熔池时的温度控制在800°C~120(TC之间。
[0013]步骤4中所述绕丝轮的转速为10转/分钟~200转/分钟。
[0014]本发明的优点在于:
(I)采用玻璃包覆法可一次性制备记忆丝，制备出的微丝直径3~200 μ m，工序简单，制备流程短，无需拉拔和退火，效率高，成本低。
[0015](2)玻璃包覆法冷却速率快，晶粒细化至亚微米级，丝材超弹性性能优异，总应变为6%时卸载，可回复应变为5.65%，回复率达到94%，克服了传统工艺难以解决的多晶脆性冋题。
[0016](3)可制备长达数百米的超弹性记忆微丝，应用前景广阔，可广泛应用于传感器和驱动器中，是集感知与驱动于一体的智能材料，对促进智能元件的微型化具有重要意义。
【附图说明】
[0017]图1为本发明制备流程示意图。其中I为玻璃管、2为熔融合金液、3为感应线圈、4为冷却液、5为导丝轮、6为绕丝轮。
[0018]图2为本发明实施例1中Cu84Sn16超弹性形状记忆合金丝的扫描电镜(SEM)照片。
[0019]图3为本发明实施例1中Cu84Sn16超弹性形状记忆合金丝加载后卸载的应力-应变曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0021]实施例1
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu84Sn16,制备步骤如图1所示:将纯度大于99 %的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小块料，将一小块重为2g的合金料放入高硼硅玻璃管的底部，玻璃管外径10_，壁厚1_。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.1MPa0启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至350A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在1000°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为60转/分钟。启动升降电机，玻璃管以2mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为49 μm的Cu84Sn16超弹性形状记忆合金裸丝。丝材扫描电镜(SEM)照片如图2所示。将微丝放置在液氮中进行弯曲，然后从液氮中取出，微丝恢复室温下的形状，表明该微丝具有形状记忆效应。利用Instron测试仪对微丝进行拉伸测试，初始标距为~20mm，当应变为~6%时卸载载荷，得到如图3所示的加载-卸载应力应变曲线，曲线表明卸载后应变基本完全恢复，微丝具有较好的超弹性。
[0022]实施例2
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu86Sn14,制备步骤如下:将纯度大于99%的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小快料，将一小块重为2g的合金料放入玻璃管的底部。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.lMPa?启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至400A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在1100°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为20转/分钟。启动升降电机，玻璃管以3mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为107 μπι的&18651114超弹性形状记忆合金裸丝。
[0023]实施例3
本实例的铜基超弹性记忆合金丝的分子式为Cu83Snm制备步骤如下:将纯度大于99%的原料Cu、Sn按本实施例的成分配制20g，然后用高频感应熔炼炉在氩气保护下进行熔炼。将熔炼好的合金锭破碎成l~3g的小快料，将一小块重为2g的合金料放入玻璃管的底部。将装好合金料的玻璃管固定，开机械泵抽真空至2.5Pa，再充氩气至0.lMPa?启动高频感应装置，逐渐提高加热电流至330A，此时合金锭熔化，玻璃管底部软化，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池。微熔池的温度控制在950°C左右，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，绕丝轮转速为120转/分钟。启动升降电机，玻璃管以0.5mm/min的速率匀速下降，补充被消耗的玻璃和合金液体。将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到直径为9 μm的&18351117超弹性形状记忆合金裸丝。
[0024]综上所述，本发明一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法简单易行，综合性能好，适用于大规模工业生产。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种铜基超弹性形状记忆合金丝，其特征在于，该合金的分子式为Cu 100_xSnx,下标表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中x=14~17。2.权利要求1铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:按原子摩尔百分比将合金组分中的Cu、Sn配料， Cu 83-86 % Sn 14-17 % 其中各原料的纯度均大于99 %； 步骤2:将配好的原料在氩气保护下在高频电磁感应作用下熔炼成均匀的母合金，再进行破碎，放入高硼硅玻璃管中； 步骤3:将装好合金料的玻璃管沿竖直方向固定，玻璃管底部位于锥形感应线圈中，玻璃管开口端通过波纹管连接机械泵，抽真空至5Pa以下，再充氩气至0.09-0.1lMPa ; 步骤4:启动高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐提高加热电流，当合金锭熔化，底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上； 步骤5:将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。3.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤2中所述破碎是将合金锭破碎成l~3g的块料。4.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤4中所述形成微熔池时的温度控制在800°C~1200°C之间。5.如权利要求2所述的铜基超弹性形状记忆合金丝的制备方法，其特征在于，步骤4中所述绕丝轮的转速为10转/分钟~200转/分钟。
【专利摘要】本发明涉及一种铜基超弹性形状记忆合金丝及其制备方法，该合金的分子式为Cu100-xSnx,其中x=14~17。其制备方法是采用玻璃包覆纺丝法，通过高频感应装置，在200~600A范围内，逐渐熔化合金锭，当底部玻璃管软化时，熔融合金液和底部玻璃形成一个微熔池，然后用带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部牵引出玻璃包覆的合金丝材，经喷水冷却后绕在绕丝轮上，将制备的微丝表面的玻璃剥落，得到铜锡超弹性形状记忆合金裸丝。本发明一次成形，工序简单，制备出的微丝直径3~200μm，可广泛应用于传感器和驱动器中，是集感知与驱动于一体的智能材料，对促进智能元件的微型化具有重要意义。
【IPC分类】C22C9/00, C22C1/02
【公开号】CN104894428
【申请号】CN201510325733
【发明人】张勇, 赵杨勇
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
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